1什么是交換機(jī)？

交換 ，switching 是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設(shè)備自動(dòng)完成的方法，把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)統(tǒng)稱。廣義的交換機(jī)switch就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。這個(gè)過程就是通過人工方式建立起來的交換。當(dāng)然現(xiàn)在我們?cè)缫哑占傲顺炭亟粨Q機(jī)，交換的過程都是自動(dòng)完成。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，交換概念的提出是對(duì)于共享工作模式的改進(jìn)。我們以前介紹過的HUB集線器就是一種共享設(shè)備，HUB本身不能識(shí)別目的地址，當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)?，由每一臺(tái)終端通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上只能傳輸一組數(shù)據(jù)幀的通訊，如果發(fā)生碰撞還得重試。這種方式就是共享網(wǎng)絡(luò)帶寬。

交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口會(huì)查找內(nèi)存中的地址對(duì)照表以確定目的MAC(網(wǎng)卡的硬件地址)的NIC(網(wǎng)卡)掛接在哪個(gè)端口上，通過內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應(yīng)后交換機(jī)會(huì)“學(xué)習(xí)”新的地址，并把它添加入內(nèi)部地址表中。

交換機(jī)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對(duì)之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨(dú)立的網(wǎng)段，連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨(dú)自享有全部的帶寬，無須同其他設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)使用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)B可同時(shí)向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網(wǎng)交換機(jī)，那么該交換機(jī)這時(shí)的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時(shí)，一個(gè)HUB的總流通量也不會(huì)超出10Mbps。

總之，交換機(jī)是一種基于MAC地址識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標(biāo)接收者之間建立臨時(shí)的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達(dá)目的地址。

2交換機(jī)的作用是什么？

“交換”是今天網(wǎng)絡(luò)里出現(xiàn)頻率最高的一個(gè)詞，從橋接到路由到ATM直至電話系統(tǒng)，無論何種場(chǎng)合都可將其套用，搞不清到底什么才是真正的交換。其實(shí)交換一詞最早出現(xiàn)于電話系統(tǒng)，特指實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同電話機(jī)之間話音信號(hào)的交換，完成該工作的設(shè)備就是電話交換機(jī)。所以從本意上來講，交換只是一種技術(shù)概念，即完成信號(hào)由設(shè)備入口到出口的轉(zhuǎn)發(fā)。因此，只要是和符合該定義的所有設(shè)備都可被稱為交換設(shè)備。

由此可見，“交換”是一個(gè)涵義廣泛的詞語，當(dāng)它被用來描述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)第二層的設(shè)備時(shí)，實(shí)際指的是一個(gè)橋接設(shè)備；而當(dāng)它被用來描述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)第三層的設(shè)備時(shí)，又指的是一個(gè)路由設(shè)備。我們經(jīng)常說到的以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)際是一個(gè)基于網(wǎng)橋技術(shù)的多端口第二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它為數(shù)據(jù)幀從一個(gè)端口到另一個(gè)任意端口的轉(zhuǎn)發(fā)提供了低時(shí)延、低開銷的通路。（獲取更多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)干貨，請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào)：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)盟站）

由此可見，交換機(jī)內(nèi)部核心處應(yīng)該有一個(gè)交換矩陣，為任意兩端口間的通信提供通路，或是一個(gè)快速交換總線，以使由任意端口接收的數(shù)據(jù)幀從其他端口送出。在實(shí)際設(shè)備中，交換矩陣的功能往往由專門的芯片（ASIC）完成。另外，以太網(wǎng)交換機(jī)在設(shè)計(jì)思想上有一個(gè)重要的假設(shè)，即交換核心的速度非常之快，以致通常的大流量數(shù)據(jù)不會(huì)使其產(chǎn)生擁塞，換句話說，交換的能力相對(duì)于所傳信息量而無窮大（與此相反，ATM交換機(jī)在設(shè)計(jì)上的思路是，認(rèn)為交換的能力相對(duì)所傳信息量而言有限）。雖然以太網(wǎng)第二層交換機(jī)是基于多端口網(wǎng)橋發(fā)展而來，但畢竟交換有其更豐富的特性，使之不但是獲得更多帶寬的最好途徑，而且還使網(wǎng)絡(luò)更易管理。

3交換機(jī)的應(yīng)用

作為局域網(wǎng)的主要連接設(shè)備，以太網(wǎng)交換機(jī)成為應(yīng)用普及最快的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之一。隨著交換技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)交換機(jī)的價(jià)格急劇下降，交換到桌面已是大勢(shì)所趨。

如果網(wǎng)絡(luò)的利用率超過了40%，并且碰撞率大于10%，交換機(jī)可以幫你解決一點(diǎn)問題。帶有100Mbps快速以太網(wǎng)和10Mbps以太網(wǎng)端口的交換機(jī)可以全雙工方式運(yùn)行，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連接。

不僅不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下交換機(jī)的作用各不相同，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下添加新的交換機(jī)和增加現(xiàn)有交換機(jī)的交換端口對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響也不盡相同。充分了解和掌握網(wǎng)絡(luò)的流量模式是能否發(fā)揮交換機(jī)作用的一個(gè)非常重要的因素。因?yàn)槭褂媒粨Q機(jī)的目的就是盡可能的減少和過濾網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，所以如果網(wǎng)絡(luò)中的某臺(tái)交換機(jī)由于安裝位置設(shè)置不當(dāng)，幾乎需要轉(zhuǎn)發(fā)接收到的所有數(shù)據(jù)包的話，交換機(jī)就無法發(fā)揮其優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的作用，反而降低了數(shù)據(jù)的傳輸速度，增加了網(wǎng)絡(luò)延遲。

除安裝位置之外，如果在那些負(fù)載較小，信息量較低的網(wǎng)絡(luò)中也盲目添加交換機(jī)的話，同樣也可能起到負(fù)面影響。受數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間、交換機(jī)的緩沖區(qū)大小以及需要重新生成新數(shù)據(jù)包等因素的影響，在這種情況下使用簡單的HUB要比交換機(jī)更為理想。因此，我們不能一概認(rèn)為交換機(jī)就比HUB有優(yōu)勢(shì)，尤其當(dāng)用戶的網(wǎng)絡(luò)并不擁擠，尚有很大的可利用空間時(shí)，使用HUB更能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有資源。

4交換機(jī)的三種交換方式

1.直通式(Cut Through)

直通方式的以太網(wǎng)交換機(jī)可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機(jī)。它在輸入端口檢測(cè)到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動(dòng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數(shù)據(jù)包直通到相應(yīng)的端口，實(shí)現(xiàn)交換功能。由于不需要存儲(chǔ)，延遲非常小、交換非常快，這是它的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是，因?yàn)閿?shù)據(jù)包內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機(jī)保存下來，所以無法檢查所傳送的數(shù)據(jù)包是否有誤，不能提供錯(cuò)誤檢測(cè)能力。由于沒有緩存，不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且容易丟包。（獲取更多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)干貨，請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào)：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)盟站）

2.存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)(Store & Forward)

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)起來，然后進(jìn)行CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))檢查，在對(duì)錯(cuò)誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址，通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包。正因如此，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時(shí)延時(shí)大，這是它的不足，但是它可以對(duì)進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。

3.碎片隔離(Fragment Free)

這是介于前兩者之間的一種解決方案。它檢查數(shù)據(jù)包的長度是否夠64個(gè)字節(jié)，如果小于64字節(jié)，說明是假包，則丟棄該包;如果大于64字節(jié)，則發(fā)送該包。這種方式也不提供數(shù)據(jù)校驗(yàn)。它的數(shù)據(jù)處理速度比存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式快，但比直通式慢。

5交換機(jī)分類

從廣義上來看，交換機(jī)分為兩種:廣域網(wǎng)交換機(jī)和局域網(wǎng)交換機(jī)。廣域網(wǎng)交換機(jī)主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域，提供通信用的基礎(chǔ)平臺(tái)。而局域網(wǎng)交換機(jī)則應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，用于連接終端設(shè)備，如PC機(jī)及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。

從傳輸介質(zhì)和傳輸速度上可分為以太網(wǎng)交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、ATM交換機(jī)和令牌環(huán)交換機(jī)等。

從規(guī)模應(yīng)用上又可分為企業(yè)級(jí)交換機(jī)、部門級(jí)交換機(jī)和工作組交換機(jī)等。各廠商劃分的尺度并不是完全一致的，一般來講，企業(yè)級(jí)交換機(jī)都是機(jī)架式，部門級(jí)交換機(jī)可以是機(jī)架式(插槽數(shù)較少)，也可以是固定配置式，而工作組級(jí)交換機(jī)為固定配置式(功能較為簡單)。另一方面，從應(yīng)用的規(guī)模來看，作為骨干交換機(jī)時(shí)，支持500個(gè)信息點(diǎn)以上大型企業(yè)應(yīng)用的交換機(jī)為企業(yè)級(jí)交換機(jī)，支持300個(gè)信息點(diǎn)以下中型企業(yè)的交換機(jī)為部門級(jí)交換機(jī)，而支持100個(gè)信息點(diǎn)以內(nèi)的交換機(jī)為工作組級(jí)交換機(jī)。

6交換機(jī)功能

交換機(jī)的主要功能包括

• 物理編址、
• 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、
• 錯(cuò)誤校驗(yàn)、
• 幀序列以及流控
• VLAN(虛擬局域網(wǎng))
• 鏈路匯聚
• 防火墻

交換機(jī)除了能夠連接同種類型的網(wǎng)絡(luò)之外，還可以在不同類型的網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng))之間起到互連作用。如今許多交換機(jī)都能夠提供支持快速以太網(wǎng)或FDDI等的高速連接端口，用于連接網(wǎng)絡(luò)中的其它交換機(jī)或者為帶寬占用量大的關(guān)鍵服務(wù)器提供附加帶寬。

一般來說，交換機(jī)的每個(gè)端口都用來連接一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)段，但是有時(shí)為了提供更快的接入速度，我們可以把一些重要的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)直接連接到交換機(jī)的端口上。這樣，網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵服務(wù)器和重要用戶就擁有更快的接入速度，支持更大的信息流量。

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